Принципы ядерной энергетики довольно просты для понимания и подчиняются хорошо понятным законам физики. Проще говоря, материя и энергия взаимозаменяемы, а это означает, что в материи скрыто огромное количество энергии. Это энергия, которую раскрывают атомные электростанции — все атомные электростанции делают это, включая реакторы с водой под давлением (PWR), которые являются наиболее распространенным типом реакторов.
Ядерные реакторы запускают цепные реакции, используя нейтроны как крошечные пули для расщепления атомов урана, высвобождая накопленную в атомах энергию в виде тепла. Возьмите эту энергию, нагрейте немного воды и используйте полученный пар для вращения турбины и выработки электроэнергии — на самом деле это просто. Важно отметить, что, поскольку мы стремимся сократить выбросы углекислого газа, ядерная энергетика считается чистой.
Однако, хотя принципы производства электроэнергии из любого типа ядерного реактора высечены в камне, все еще существуют разные инженерные подходы, диктующие архитектуру, а, следовательно, и тип ядерного реактора.
В наиболее распространенных типах реакторов вода используется как в качестве средства выработки энергии, так и в качестве теплоносителя активной зоны. На этот тип реакторов приходится около 95% гражданских реакторов планеты. Однако именно его подразделения также определяют, какой это тип ядерного реактора. Как отмечалось, наиболее распространенными из них являются PWR, на долю которых приходится около 70% всех действующих коммерческих реакторов.
Как работают водо-водяные реакторы?
Определяющей характеристикой PWR является его архитектура с двойным водяным контуром. Как следует из названия, в реакторе этого типа используются два изолированных водяных контура. Одним из них является контур охлаждающей жидкости, именно здесь становится актуальной часть названия «находящаяся под давлением». Этот контур находится под давлением примерно до 150 бар или примерно 2176 фунтов на квадратный дюйм. Причина, по которой этот контур находится под давлением, во многом аналогична причине, по которой система охлаждения автомобиля находится под давлением — давление повышает температуру кипения воды. В случае ядерных реакторов это позволяет воде достигать температуры около 617°F без кипения.
Второй водяной контур вращает турбины, поэтому необходим пар. Именно поэтому «паровой контур» находится под меньшим давлением. Однако в отличие от контура теплоносителя, в котором вода нагревается при прохождении через активную зону реактора, вторичный контур нагревается за счет контура теплоносителя через теплообменник. Поскольку паровой контур работает при более низком давлении, он производит пар при более низких температурах. Это пар, который приводит в движение турбины и производит электричество. Конечно, процесс передачи тепла по контурам также отводит тепло от охлаждающей воды, которая затем возвращается обратно через активную зону и так далее.
Вода в контуре теплоносителя также действует как замедлитель, управляя цепной реакцией внутри реактора. Для этого в теплоноситель добавляют борную кислоту; концентрация кислоты тщательно контролируется и регулируется с помощью системы впрыска.
От подводных лодок до глобальной сети: развитие PWR
Несмотря на доминирование в коммерческом секторе атомной энергетики, PWR фактически ведут свое происхождение от 1950-х годов, когда они были разработаны для первого поколения атомных кораблей ВМС США. Первым кораблем, который плавал (или погружался) под действием ядерной энергии, был военный корабль США «Наутилус», вошедший в строй 30 сентября 1954 года, подводная лодка, оказавшая большое влияние на развитие военно-морской войны.
Ядерная энергия дает кораблям ВМФ большое преимущество, по сути освобождая их от необходимости постоянной дозаправки. Хотя, когда необходима дозаправка, заправка, например, атомного авианосца занимает непомерно много времени. Для подводных лодок тот факт, что ядерная энергетика не требует кислорода, также является большим преимуществом.
Современные коммерческие PWR по-прежнему используют те же принципы проектирования. Есть несколько основных причин, по которым PWR являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов. Во-первых, следует рассмотреть отдельные «водяные петли». Поскольку они никогда не вступают в прямой контакт, вероятность утечки радиоактивной воды значительно снижается. Второе — простота; по крайней мере, с точки зрения ядерной энергетики, считается, что ими легче управлять, поскольку у них больше контроля над ядерной реакцией, что можно считать только положительным моментом.
Однако у этого типа реактора есть некоторые недостатки. Их строительство обходится дорого из-за необходимости поддерживать давление в системе. Использование борной кислоты также может вызвать некоторые трудности в эксплуатации. Борная кислота обладает агрессивным коррозионным действием и может привести к растворению металлов в охлаждающей жидкости, где они становятся радиоактивными.
